橋梁樁基礎施工對航道演變影響分析

李靚亮

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.中鐵建大橋設計研究院，湖北 武漢 430063)

隨著我國鐵路和公路的建設，跨通航河流的橋梁建設不斷增多，同時作為綜合交通運輸體系的重要組成部分，內河航運也取得了長足發(fā)展。進入21世紀以來，國家和地方政府對長江等內河水運建設和發(fā)展的重視程度越來越高，尤其是2014年12月《中華人民共和國航道法》頒布實施后，要求橋梁建設應當在工程可行性研究階段就建設項目對航道通航條件的影響做出評價，并報送有審核權的交通運輸主管部門或者航道管理機構審核，橋梁建設依據《內河通航標準》《長江干線通航標準》《海輪航道通航標準》等標準確定橋位和橋跨，由此橋梁方案對航道暢通和船舶通航安全的不利影響大幅度減小。筆者在從事橋梁對航道和船舶通航影響的研究中，發(fā)現多座橋梁在施工期所處河道航道條件出現明顯改變，通過追蹤研究分析，在大橋施工階段，比如為方便橋墩施工而搭設的棧橋和水上平臺，由于其水中密布的支撐結構形成強大的阻水作用，在2～3 a的施工周期內使水流與河床演變發(fā)生改變，甚至改變橋區(qū)水域的邊界條件，從而對航道造成不利影響。

1 橋梁基礎形式與施工技術

橋梁基礎承受上部結構傳來的荷載，并把它們和下部結構荷載傳遞給地基，是筑牢橋梁的關鍵部位，尤其是江、河中的橋墩基礎受到復雜水流的沖刷，基礎設計和施工在整個橋梁工程中占有很重要的地位。

橋梁基礎按構造和施工方法不同可分為：明挖基礎、樁基礎、沉井基礎、沉箱基礎和管柱基礎[1]。其中樁基礎由于比較適應各種地層條件，因此高樁承臺樁基礎應用較多。例如三門峽黃河公路大橋(1993年建成)、江陰長江大橋(1999年建成)、宜昌市夷陵長江大橋(2001年建成)、杭州灣跨海大橋(2008年建成)，港珠澳大橋(2018年建成)等。結合施工期河床、施工水位等特點，樁基礎施工通常采取“先平臺，后圍堰”法[2]，通過先期臨時設置水上施工平臺和棧橋以滿足江上材料運輸及施工需要，這些施工平臺和棧橋屬于施工臨時工程，涉水樁基結構尺寸、間距較小，但數量較多，阻水效應明顯。

以荊岳長江公路大橋為例，該大橋是湖北省“六縱五橫一環(huán)”骨架公路網規(guī)劃中隨州至岳陽高速公路跨越長江的控制性工程，大橋建設總長度4 302.5 m，由主橋、灘橋、過渡孔橋和引橋組成。主橋采用主跨816 m雙塔不對稱混合梁斜拉橋方案，其中北岸側丁家洲邊灘區(qū)域主灘橋部分為7跨1聯(100 m+5×154 m+100 m)預應力混凝土連續(xù)箱梁[3]。在河道北岸側范圍內共8個基礎墩(自北岸側依次為20#～28#橋墩，見圖1)，共計79根直徑2.8 m鉆孔灌注樁、26根直徑3.0 m鉆孔灌注樁，樁長為40.0～59.5 m，均按嵌巖樁設計[4]。結合施工期河床、施工水位等特點，采用搭設鋼管樁鉆孔平臺鉆孔方案(圖2)，鉆孔鋼平臺通過棧橋與岸邊連接[5](圖3)。

圖1 荊岳長江公路大橋立面布置(單位：m)

圖2 鉆孔平臺橫斷面(單位：mm)

圖3 施工棧橋縱斷面

2 基礎施工前后航道變化

2.1 河道概況

荊岳長江公路大橋位于長江中游楊林巖水道內，該水道為一順直分汊河型，河道兩頭窄、中間寬，入口有道人磯—白螺磯節(jié)點控制(圖4)，出口有楊林山—龍頭山節(jié)點控制，中間放寬段有南陽洲將河道分為左右兩汊，左汊在20世紀90年代以前水淺槽窄，90年代以后，逐漸發(fā)展，水深改善，但左汊進口受丁家洲邊灘灘尾沖淤變化影響，且左汊入口和出口的航道彎曲、障礙礁石較多，不利于船舶安全航行，多年來主航道一直走右汊。

圖4 荊岳長江公路大橋工程河段河勢

2.2 河床演變特點

1)南陽洲汊道右汊為主汊、左汊為支汊的格局較為穩(wěn)定。

南陽洲自形成以后，南陽洲右汊一直為主汊，左汊為支汊，左右汊平面形態(tài)穩(wěn)定，沒有出現主支汊易位或轉化為單一河段的跡象。這種汊道格局與白螺磯—道人磯的控制作用直接有關，同時與上游來流方向和主流位置的相對穩(wěn)定以及下游楊林山—龍頭山對峙節(jié)點強烈的控導作用有一定關系。

2)丁家洲邊灘尾部與南陽洲洲頭低灘沖淤變化存在此消彼長的關聯性。

南陽洲位于白螺磯—道人磯和楊林山—龍頭山兩對對峙節(jié)點之間，一方面是由于楊林山—龍頭山對峙節(jié)點上游河道放寬、水流挾沙力降低，另一方面是由于卡口在高水時的壅水作用，使水流流速減緩，二者綜合作用造成泥沙落淤形成江心洲。多年來南陽洲洲體大小、平面形態(tài)及洲頂高程均變化不大，其演變主要是洲頭低灘的沖淤變化。從南陽洲洲體低灘與丁家洲邊灘的沖淤變化情況來看(圖5)，二者之間存在一定的關聯性。當丁家洲邊灘沖刷萎縮、灘尾上提時，南陽洲洲頭低灘淤積上延；當丁家洲邊灘尾部淤積下延時，南陽洲洲頭低灘沖刷后退。

圖5 南陽洲與丁家洲邊灘0 m等深線沖淤變化

3)南陽洲右汊一直作為通航汊道，南陽洲洲頭低灘的位置和形態(tài)直接影響右汊的航道條件，絕大多數年份航道條件較好，僅個別年份出淺礙航。

從20世紀70年代以來航道條件統計情況來看(表1)，絕大多數年份南陽洲右汊航道條件較好，3 m航槽寬度基本保持在300 m以上，僅1997年右汊中段展寬部位出現礙航淺包，3 m航槽斷開約900 m，出淺礙航，最淺水深僅約2.7 m。航道維護部門通過采取調整航標、加強維護管理、及時提醒過往船舶注意等措施才勉強渡過該屆枯水期。

表1 南陽洲右汊3 m等深線變化

當南陽洲洲頭低灘相對高大完整、灘形較為飽滿，甚至與上游丁家洲邊灘尾部相連時，對右汊進口水流有較好的控導作用，汛期淤積的泥沙，汛后及枯水期能夠集中水流沖刷，航道條件相對較好。當南陽洲洲頭低灘下挫，兩緣沖刷崩退時，對右汊進口水流的約束作用減弱，水流分散，同時左汊也有所發(fā)展，若遇不利水文年份，汛后退水期持續(xù)時間較短時，右汊汛期淤積的泥沙汛后未能及時沖刷帶走，航道條件會向不利方向發(fā)展，甚至枯水期右汊中上段展寬處出淺礙航。

2.3 橋墩施工階段航道變化

荊岳長江公路大橋于2006年12月26日開工，2009年6月7日完成南北主塔的封頂工程，2010年3月22日完成主橋合龍工程，在此期間，水下臨時設施均未拆除，為全面分析工程的影響，本文將2006—2011年時間段作為橋墩基礎施工階段進行分析。

2.3.1南陽洲汊道分流比變化

從南陽洲汊道分流比變化情況來看(表2)，2008年以前南陽洲左汊分流比基本在30%左右，2008—2012年，南陽洲左汊枯水分流比減小較為明顯，2010年2月分流比為22.9%，相比較2008年4月，減少7.1%。

表2 南陽洲汊道實測分流比

2.3.2航道變化

從2008年4月—2010年2月沖淤變化情況來看[6](圖6、7)，丁家洲邊灘上段淤積，荊岳長江大橋上下游4 km范圍以內淤積明顯，淤積厚度達2～4 m。

根據南陽洲洲體低灘與丁家洲邊灘的沖淤關系，南陽洲洲頭低灘被沖刷后退，2010年2月較2008年4月，丁家洲邊灘尾部下延約1.0 km，南陽洲洲頭0 m等深線下移了約1 150 m(圖8)，平均沖刷2～3 m。南陽洲洲頭低灘沖刷后退后，右汊展寬、水流分散、水深減小、灘槽逐漸坦化，雖然進口4.0 m等深線全部貫通，航道條件還基本能夠得到保證，但中下段淺灘呈逐年淤高的趨勢(表3)，2008年2月最小水深為4.2 m，2010—2011年，最小水深減小至3.3～3.9 m，逐漸不滿足長江航道維護最小水深要求，灘槽格局和航道條件向不利方向發(fā)展的趨勢已經顯現。

表3 南陽洲洲體及右汊航道條件變化

圖6 楊林巖水道2008年4月—2010年2月沖淤變化

圖7 工程河段灘槽關系

圖8 荊岳長江公路大橋基礎施工前后等深線變化

3 橋梁基礎施工對航道演變影響分析

1)三峽水庫蓄水后，總的水沙條件發(fā)生改變，輸沙量大幅減少，水流長期處于含沙不飽和狀態(tài)；螺山水文站位于本河段下游約9 km處，據螺山站2003—2011年資料統計，三峽水庫蓄水運用以來，長江中游一直出現中、小水和少沙年份，來水量雖與蓄水前基本相當，來沙量約減少75%，特別是2011年，來水量減少最多，達27%，來沙量減少達89%(表4)。受三峽工程調蓄作用影響，汛期特大洪水得到有效控制，洪峰流量減小，相應中水歷時加長，枯水流量增加，螺山站在蓄水后流量小于7 500 m3s的年平均時間為27 d，與蓄水前(1990—2002年)相比減少了9 d；流量介于7 500～10 000 m3s間的年平均時間為74 d，介于10 000～15 000 m3s間的年平均時間為88 d，分別比蓄水前增加了24 d和20 d，流量大于40 000 m3s的年平均時間僅為27 d，與蓄水前相比減少了24 d，但流量介于30 000～40 000 m3s間的年平均時間為50 d，比蓄水前增加了11 d。枯水期流量增加，中水歷時延長，沖刷加劇，往往會使洲灘頭部低灘沖刷后退，會對枯水航道條件產生一定影響。2007年以來，水沙條件與2003—2006年未發(fā)生明顯改變，但在本河段首先表現的是南陽洲左汊分流比明顯降低，說明本階段航道變化的原因不完全是水沙條件的變化。

表4 三峽水庫蓄水后螺山水文站徑流量和輸沙量

2)2006—2010年，荊岳長江大橋橋墩施工期在北側水域架設了臨時棧橋，長度可達1 km左右，且由于臨時棧橋樁基較密，一定程度上相當于是在南陽洲左汊進口臨時建設了一條長丁壩，減少了進入左汊的流量，而在此期間，丁家洲邊灘洲尾大橋上下游4 km范圍的大幅度淤積也正好印證了這一點。丁壩作用形成后，另一個表現就是丁壩頭部沖刷明顯，自然形成了左汊進口段的深槽下延。兩方面均加速了南陽洲洲頭的沖刷后退，使航道條件有向不利方向發(fā)展的趨勢。

考慮上游來沙大幅減少、中枯水期水量增加、沖刷歷時延長的狀態(tài)將長期維持，工程河段被沖刷的洲灘缺乏自然恢復的水沙條件，為避免洲頭后退、灘體縮小、右汊展寬、水流分散的不利演變趨勢愈演愈烈，從而造成不可挽回的局面，長江航道部門于2013—2014年間實施了長江中游楊林巖水道航道整治工程[7]，包括南陽洲心灘護灘工程、南陽洲右緣和費家墩護岸工程(圖9)。工程實施后，航道條件逐步恢復。

圖9 楊林巖水道航道整治工程平面布置

4 結語

1)荊岳長江公路大橋選址在相對穩(wěn)定的分匯流口和非易變洲灘河段內，在前期研究階段已充分考慮橋墩設置對分匯流和洲灘的變化影響而采用大跨度方案。但由于水上施工棧橋明顯的壅水作用，改變了丁家洲邊灘和南陽洲洲頭的演變規(guī)律，加速了楊林巖水道航道條件向不利方向發(fā)展的趨勢。

2)近年來，橋梁基礎施工引起航道變化時有發(fā)生，如長江干線滬通長江公鐵大橋沉井施工惡化了局部航道條件，需要臨時采取大量的疏浚維護措施；望東長江大橋橋墩施工是否是其下游重點淺險水道東流水道主支汊易位的誘導因素一直爭論不休；湖北黃梅縣小池鎮(zhèn)在長江里取水口的大幅度淤積，導致無法取水，而分析原因與上游福州-銀川高速公路九江長江二橋橋墩施工有關。所以該方面問題值得引起關注和重視。

3)為避免橋梁基礎施工對航道造成不利影響，研究橋跨布置方案時應綜合考慮施工等動態(tài)或臨時的影響因素，建議在橋梁前期跨度研究管理階段提前研究可能的施工方案對航道條件的影響，如果通過改變施工方案難以消除或者減小影響，必須優(yōu)化橋跨和橋墩布置方案。